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WO2016052879A1 - 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치 Download PDF

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WO2016052879A1
WO2016052879A1 PCT/KR2015/009462 KR2015009462W WO2016052879A1 WO 2016052879 A1 WO2016052879 A1 WO 2016052879A1 KR 2015009462 W KR2015009462 W KR 2015009462W WO 2016052879 A1 WO2016052879 A1 WO 2016052879A1
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WO
WIPO (PCT)
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adhesive layer
wireless power
adhesive
layer
magnetic layer
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2015/009462
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English (en)
French (fr)
Inventor
이윤복
송영길
현순영
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Innotek Co Ltd
Original Assignee
LG Innotek Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Innotek Co Ltd filed Critical LG Innotek Co Ltd
Priority to US15/515,022 priority Critical patent/US11146092B2/en
Publication of WO2016052879A1 publication Critical patent/WO2016052879A1/ko
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    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields

Definitions

  • the present invention relates to wireless charging, and more particularly, to a wireless power transmitter and a wireless power receiver included in a wireless charging system.
  • the wireless power transmission / reception technology may be applied to not only battery charging of a portable terminal, but also power supply for home electronic products, power supply for an electric vehicle or a subway.
  • Wireless power transmission technology uses the principle of magnetic induction or magnetic resonance. In order to increase the power transmission and reception efficiency, it is necessary to increase the effective permeability of the wireless power transmission and reception apparatus and maintain an appropriate level of inductance.
  • the wireless power transceiver may include a substrate, a soft magnetic layer disposed on the substrate, and a coil disposed on the soft magnetic layer. At this time, the coil is wound in parallel with the plane of the soft magnetic layer. Due to the limitation of the dimensions of the coil to be wound, there is a limit to obtaining the desired level of effective permeability.
  • the wireless power transmission / reception apparatus applied to a vehicle has a problem that it is difficult to apply a sintered compact having a high permeability to a soft magnetic layer due to vibration or temperature variation.
  • a thick double-sided tape should be used between the substrate and the soft magnetic layer and between the soft magnetic layer and the coil. Accordingly, there is a limit in increasing the magnetic permeability by increasing the thickness of the soft magnetic layer.
  • An object of the present invention is to provide a wireless power transmitter and a wireless power receiver of a wireless charging system.
  • An apparatus for wireless power transmission of a wireless charging system includes a substrate, a first adhesive layer formed on the substrate, a soft magnetic layer formed on the first adhesive layer, and a second adhesive layer formed on the soft magnetic layer. And a transmission coil formed on the second adhesive layer, and at least one of the first adhesive layer and the second adhesive layer includes a magnetic material.
  • At least one of the first adhesive layer and the second adhesive layer may include a magnetic layer including a magnetic material, and an adhesive formed on both surfaces of the magnetic layer.
  • the magnetic layer may include at least one of senddust, permalloy, and molybdenum permally powder (MPP).
  • senddust permalloy
  • MPP molybdenum permally powder
  • a metal ribbon may be further formed between the magnetic layer and the adhesive.
  • the adhesive may comprise an insulating material.
  • the adhesive may include at least one of an acrylate-based organic adhesive, an epoxy-based organic adhesive, and a silicon-based organic adhesive.
  • Surfaces of at least one of the first adhesive layer and the second adhesive layer may be formed of an insulating material.
  • the insulating material may include SiO 2 .
  • the soft magnetic layer may include a composite including any one of a single metal powder flake or an alloy powder flake and a polymer resin.
  • the alloy powder flakes may be alloy powder flakes of Fe, Co and Ni or alloy powder flakes of Fe, Si and Cr.
  • the polymer resin may include at least one of PV (polyvinyl) resin, PE (polyethylene) resin and PP (polypropylene) resin.
  • An apparatus for receiving wireless power of a wireless charging system includes a substrate, a first adhesive layer formed on the substrate, a soft magnetic layer formed on the first adhesive layer, and a second adhesive layer formed on the soft magnetic layer. And a receiving coil formed on the second adhesive layer, and at least one of the first adhesive layer and the second adhesive layer includes a magnetic material.
  • the adhesive layer of the wireless power transmitter or the wireless power receiver of the wireless charging system includes a magnetic layer including a magnetic material, and an adhesive formed on both sides of the magnetic layer.
  • the effective permeability and the inductance of the wireless power transmitter and the wireless power receiver can be increased. Accordingly, power transmission and reception efficiency between the wireless power transmitter and the wireless power receiver can be increased.
  • FIG. 1 shows a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a wireless power transmission and reception method of a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a transmitting coil according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a power source and a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a top view of a soft magnetic layer and a transmitting coil included in a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a top view of a soft magnetic layer and a transmission coil included in a wireless power transmission apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of an adhesive layer included in a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph illustrating an inductance increase rate according to an increase in permeability when the adhesive layer does not include a magnetic material
  • FIG. 11 is a graph illustrating an inductance increase rate according to an increase in thickness when the adhesive layer does not include a magnetic material.
  • FIG. 12 is a graph illustrating an inductance increase rate with increasing thickness when the adhesive layer includes a magnetic material according to one embodiment of the present invention.
  • ordinal numbers such as second and first
  • first and second components may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • FIG. 1 shows a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless charging system 10 includes a power source 100, a wireless power transmitter 200, a wireless power receiver 300, and a load stage 400.
  • the wireless power transmitter 200 is connected to a power source 100 and receives power from the power source 100.
  • the wireless power transmitter 200 wirelessly transmits power to the wireless power receiver 300.
  • the wireless power transmitter 200 may transmit power using an electromagnetic induction method or a resonance method.
  • the power source 100 and the wireless power transmitter 200 are illustrated as separate components, the present invention is not limited thereto.
  • the power supply 100 may be included in the wireless power transmission apparatus 200.
  • the wireless power receiver 300 wirelessly receives power from the wireless power transmitter 200.
  • the wireless power receiver 300 may also receive power by using an electromagnetic induction method or a resonance method.
  • the wireless power receiver 300 supplies the received power to the load stage 400.
  • FIG. 2 is a view showing a wireless power transmission and reception method of a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter 200 may include a transmission coil 210.
  • the wireless power receiver 300 may include a receiving coil 310 and a rectifier 320.
  • the power source 100 may generate AC power having a predetermined frequency and supply the generated AC power to the transmitting coil 210 of the wireless power transmitter 200.
  • the AC current generated by the transmitting coil 210 may be transmitted to the receiving coil 310 inductively coupled with the transmitting coil 210.
  • the power delivered to the transmission coil 210 may be transmitted to the wireless power receiver 300 having the same resonance frequency as the wireless power transmitter 200 by a frequency resonance method. Power may be transmitted by resonance between two impedance matched LC circuits.
  • Power delivered to the receiving coil 310 by using an electromagnetic induction method or a resonance method may be rectified through the rectifying unit 320 and transferred to the load stage 400.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a transmitting coil according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitting coil 210 may include an inductor L1 and a capacitor C1, and both ends of the inductor L1 may be connected to both ends of the capacitor C1.
  • the capacitor C1 may be a variable capacitor, and impedance matching may be performed as the capacitance of the capacitor C1 is adjusted.
  • the equivalent circuit diagram of the receiving coil 310 may be similar to the equivalent circuit diagram of the transmitting coil 210, but is not limited thereto.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a power source and a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • the transmission coil 210 may include an inductor L1 and a capacitor C1 having an inductance value and a capacitance value.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • the receiving coil 310 may include an inductor L2 and a capacitor C2 having an inductance value and a capacitance value.
  • the rectifier 320 may convert the AC power received from the receiving coil 310 into DC power and transfer the converted DC power to the load terminal 400.
  • the rectifier 320 may include a rectifier and a smoothing circuit.
  • the rectifier may be, for example, a silicon rectifier and may be equivalent to the diode D1, but is not limited thereto.
  • the rectifier may convert AC power received from the receiving coil 310 into DC power.
  • the smoothing circuit may output the smooth DC power by removing the AC component included in the DC power converted by the rectifier.
  • the smoothing circuit may be equivalent to, for example, capacitor C3, but is not limited thereto.
  • the load stage 400 may be a battery or a device in which the battery is embedded.
  • the quality factor refers to an index of energy that may accumulate in the vicinity of the wireless power transmitter 200 or the wireless power receiver 300.
  • the quality index may vary depending on the operating frequency (w), the shape, dimensions, materials, etc. of the coil, and may be represented by Equation 1 below.
  • Ls is the inductance of the coil
  • Rs means the resistance corresponding to the amount of power loss generated in the coil itself.
  • the quality index may have an infinite value from 0, and as the quality index increases, power transmission efficiency between the wireless power transmitter 200 and the wireless power receiver 300 may be higher.
  • a magnetic material is included in the adhesive layer to increase the inductance of the coil.
  • FIG. 6 is a top view of a soft magnetic layer and a transmitting coil included in a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a transmission coil 610 is formed on the soft magnetic layer 600.
  • the transmission coil 610 may be in the form of wire wound in a spiral or helical shape on a plane.
  • the transmitting coil 610 may have a round shape, a racetrack shape, a rectangular shape, a triangular shape, a polygonal rounded corner, or the like, but is not limited thereto.
  • FIG. 7 is a top view of a soft magnetic layer and a transmission coil included in a wireless power transmission apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • transmission coils 710, 720, and 730 are formed on the soft magnetic layer 700.
  • Each transmitting coil 710, 720, 730 may be in the form of a wire wound in a spiral or helical shape on a plane.
  • Each of the transmission coils 710, 720, and 730 may have a round shape, racetrack shape, rectangular shape, triangular shape, rounded polygon shape, and the like, but is not limited thereto.
  • the transmitting coil 710 and the transmitting coil 720 may be disposed side by side, and the transmitting coil 730 may be disposed on the transmitting coil 710 and the transmitting coil 720.
  • FIG 8 is a cross-sectional view of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 9 is a cross-sectional view of an adhesive layer included in the wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter 800 may include a substrate 810, a first adhesive layer 820 formed on the substrate 810, a soft magnetic layer 830 formed on the first adhesive layer 820, The second adhesive layer 840 is formed on the soft magnetic layer 830, and the transmitting coil 850 is formed on the second adhesive layer 840.
  • the substrate 810 may be a plastic substrate or a metal substrate.
  • the substrate 810 may be a printed circuit board (PCB).
  • the substrate 810 may be a case of the wireless power transmission apparatus 800. Accordingly, the substrate 810 may be mixed with the apparatus.
  • the soft magnetic layer 830 may be implemented in various forms such as a pellet, a plate, a sheet, a ribbon, a foil, a film, a composite, and the like.
  • the soft magnetic layer 830 may include a composite including a single metal or alloy powder flake and a polymer resin.
  • the alloy powder flakes may include at least one of alloy powder flakes of Fe, Co, and Ni and alloy powder flakes of Fe, Si, and Cr, but is not limited thereto.
  • the polymer resin may include at least one of PV (polyvinyl) resin, PE (polyethylene) resin, and PP (polypropylene) resin, but is not limited thereto.
  • the soft magnetic layer 830 may include 90 wt% or more of alloy powder flakes and 10 wt% or less of a polymer resin.
  • the transmitting coil 850 is formed on the soft magnetic layer 830.
  • the coil 850 may be wound on the soft magnetic layer 830 in a direction parallel to the plane of the soft magnetic layer 830.
  • a support film may be further formed on the transmission coil 850.
  • the support film is for supporting the transmission coil 850 and may include a polyethylene terephthalate (PET) material.
  • the first adhesive layer 820 is formed between the substrate 810 and the soft magnetic layer 830, and adheres the substrate 810 and the soft magnetic layer 830.
  • the second adhesive layer 840 is formed between the soft magnetic layer 830 and the transmitting coil 850, and adheres the soft magnetic layer 830 and the transmitting coil 850.
  • at least one of the first adhesive layer 820 and the second adhesive layer 840 includes a magnetic material.
  • the effective permeability of the wireless power transmitter 800 may be increased, and the inductance may be increased.
  • At least one of the first adhesive layer 820 and the second adhesive layer 840 includes a magnetic layer 900 and an adhesive 910 formed on both surfaces of the magnetic layer.
  • the magnetic layer 900 may be a magnetic sheet, a magnetic film, a magnetic foil, or the like including a magnetic material having a high permeability.
  • the magnetic material having a high permeability may be, for example, senddust, permalloy, Molybdenum Permally Powder (MPP), but is not limited thereto.
  • Sendust means a ternary alloy of Fe-Si-Al.
  • Permalloy means a binary alloy of Ni-Fe.
  • the magnetic permeability of the magnetic layer 900 may be 500 ⁇ ′ or more, and the difference in initial permeability with the soft magnetic layer 830 may be 100 ⁇ ′ or more at 100 to 300 kHz.
  • the magnetic layer 900 may replace the substrate 810 and the soft magnetic layer 830 or the dielectric film substrate of a general double-sided tape that adheres the soft magnetic layer 830 and the coil 850. Accordingly, the effective permeability can be increased to increase the inductance without increasing the overall thickness of the wireless power transmitter or the wireless power receiver.
  • a metal ribbon may be further formed between the magnetic layer 900 and the adhesive 910.
  • the metal ribbon may refer to a thin film made by spreading a metal very thinly on a single atomic unit. Since the metal ribbon has a very high permeability, the effective permeability can be further increased to increase the inductance while hardly increasing the overall thickness of the wireless power transmitter.
  • the adhesive 910 may include an insulating material.
  • the adhesive 910 may include an acrylate-based organic adhesive, an epoxy-based organic adhesive, a silicon-based organic adhesive, or the like.
  • the surface of the first adhesive layer 820 or the second adhesive layer 840 may be formed of SiO 2 or the like. Accordingly, the first adhesive layer 820 or the second adhesive layer 840 and the soft magnetic layer 830 may be insulated.
  • FIG. 10 is a graph illustrating an inductance increase rate according to an increase in permeability when the adhesive layer does not include a magnetic material
  • FIG. 11 is a graph illustrating an inductance increase rate according to an increase in thickness when the adhesive layer does not include a magnetic material.
  • the inductance increases to a certain level with increasing permeability or thickness, but after reaching a certain level, the inductance does not increase any more and is saturated.
  • FIG. 12 is a graph illustrating an inductance increase rate with increasing thickness when the adhesive layer includes a magnetic material according to one embodiment of the present invention.
  • the substrate, the soft magnetic layer and the coil are sequentially stacked, and an adhesive layer is formed between the substrate and the soft magnetic layer and between the soft magnetic layer and the coil.
  • a soft magnetic layer having a magnetic permeability ( ⁇ ) of 26 and a thickness of 2.0 mm was used, and the adhesive layer between the soft magnetic layer and the coil was fixed at 0.1 mm.
  • the adhesive layer does not contain a magnetic material (normal), that is, when the inductance in the case of using a general double-coated tape having an adhesive formed on both sides of a substrate made of a dielectric film, the magnetic layer having a magnetic permeability ( ⁇ ) of 500 is included. Inductance was measured while increasing the thickness of the adhesive layer having a thickness ratio of 7 to 3 from 0.1 mm to 0.4 mm.
  • the inductance is higher when the adhesive layer includes a magnetic body (about 11.4) and when the adhesive layer does not include the magnetic body (about 11.2). In addition, it can be seen that even when the adhesive layer including the magnetic material becomes thick, the inductance does not saturate and continues to increase.
  • a wireless power transmission apparatus having a high inductance can be obtained.
  • a desired level of inductance may be obtained by adjusting the thickness of the adhesive layer.
  • the wireless power transmission apparatus will be described as an example, but is not limited thereto.
  • the embodiment of the present invention can be equally applied to an adhesive layer formed between a substrate, a soft magnetic layer, and a coil of a wireless power receiver.
  • an NFC coil may be further stacked on the soft magnetic layer.
  • the NFC coil may be formed to surround the outside of the receiving coil.

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 송신 장치는 기판, 상기 기판 상에 형성되는 제1 접착층, 상기 제1 접착층 상에 형성되는 연자성층, 상기 연자성층 상에 형성되는 제2 접착층, 상기 제2 접착층 상에 형성되는 송신 코일을 포함하고, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나는 자성체를 포함한다.

Description

무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치
본 발명은 무선 충전에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 충전 시스템에 포함되는 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
무선 통신 기술의 발달에 따라, 전자기기에게 무선으로 전력을 공급하는 무선 전력 송수신 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 무선 전력 송수신 기술은 휴대 단말의 배터리 충전뿐만 아니라, 가정용 전자제품에 대한 전력 공급, 전기자동차나 지하철에 대한 전력 공급 등에도 다양하게 적용될 수 있다.
무선 전력 송수신 기술은 자기 유도 또는 자기 공진의 원리를 이용한다. 전력 송수신 효율을 높이기 위하여, 무선 전력 송수신 장치의 실효 투자율을 높여, 적정한 수준의 인덕턴스(inductance)를 유지할 필요가 있다.
한편, 무선 전력 송수신 장치는 기판, 기판 상에 배치된 연자성층 및 연자성층 상에 배치된 코일을 포함할 수 있다. 이때, 코일은 연자성층의 평면과 평행하게 권선된다. 권선되는 코일의 치수의 한계로 인하여, 원하는 수준의 실효 투자율을 얻는 데에는 한계가 있다.
특히, 차량에서 적용되는 무선 전력 송수신 장치는 진동 또는 온도 변화 특성으로 인하여, 고투자율의 소결체를 연자성층에 적용하기 어려운 문제가 있다.
또한, 차량의 진동 특성으로 인하여 기판과 연자성층 사이 및 연자성층과 코일 사이에는 두꺼운 두께의 양면 테이프가 사용되어야 한다. 이에 따라, 연자성층의 두께를 두껍게 하여 투자율을 높이는 데에는 한계가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 충전 시스템의 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 송신 장치는 기판, 상기 기판 상에 형성되는 제1 접착층, 상기 제1 접착층 상에 형성되는 연자성층, 상기 연자성층 상에 형성되는 제2 접착층, 상기 제2 접착층 상에 형성되는 송신 코일을 포함하고, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나는 자성체를 포함한다.
상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나는 자성체를 포함하는 자성층, 그리고 상기 자성층의 양 면에 형성되는 접착제를 포함할 수 있다.
상기 자성층은 센더스트(sendust), 퍼멀로이(permalloy) 및 MPP(Molybdenum Permally Powder) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 자성층과 상기 접착제 사이에 금속 리본이 더 형성될 수 있다.
상기 접착제는 절연 물질을 포함할 수 있다.
상기 접착제는 아크릴레이트(acrylate)계 유기 접착제, 에폭시(epoxy)계 유기 접착제 및 실리콘(silicon)계 유기 접착제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나의 표면은 절연 물질로 성막 처리될 수 있다.
상기 절연 물질은 SiO2를 포함할 수 있다.
상기 송신 코일 상에 형성되는 지지 필름을 더 포함할 수 있다.
상기 연자성층은 단일 금속 분말 플레이크 또는 합금 분말 플레이크 중 어느 하나와 고분자 수지를 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수 있다.
상기 합금 분말 플레이크는 Fe, Co 및 Ni의 합금 분말 플레이크 또는 Fe, Si 및 Cr의 합금 분말 플레이크일 수 있다.
상기 고분자 수지는 PV(polyvinyl)계 수지, PE(polyethylene)계 수지 및 PP(polypropylene)계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 수신 장치는 기판, 상기 기판 상에 형성되는 제1 접착층, 상기 제1 접착층 상에 형성되는 연자성층, 상기 연자성층 상에 형성되는 제2 접착층, 상기 제2 접착층 상에 형성되는 수신 코일을 포함하고, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나는 자성체를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 송신 장치 또는 무선 전력 수신 장치의 접착층은 자성체를 포함하는 자성층, 그리고 상기 자성층의 양 면에 형성되는 접착제를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치의 실효 투자율을 높이고, 인덕턴스를 높일 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 전력 송수신 효율을 높일 수 있다.
특히, 진동과 온도 변화 특성이 있는 차량에도 안정적으로 적용 가능한 무선 전력 송신 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 송수신 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 코일의 등가 회로도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전원과 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 포함되는 연자성층 및 송신 코일의 상면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 포함되는 연자성층 및 송신 코일의 상면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 포함되는 접착층의 단면도이다.
도 10은 접착층이 자성체를 포함하지 않는 경우 투자율 증가에 따른 인덕턴스 증가율을 설명하는 그래프이고, 도 11은 접착층이 자성체를 포함하지 않는 경우 두께 증가에 따른 인덕턴스 증가율을 설명하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따라 접착층이 자성체를 포함하는 경우 두께 증가에 따른 인덕턴스 증가율을 설명하는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템(10)은 전원(100), 무선 전력 송신 장치(200), 무선 전력 수신 장치(300) 및 부하단(400)를 포함한다.
무선 전력 송신 장치(200)는 전원(100)에 연결되며, 전원(100)으로부터 전력을 수신한다. 그리고, 무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 수신 장치(300)에게 무선으로 전력을 송신한다. 이때, 무선 전력 송신 장치(200)는 전자기 유도(electromagnetic induction) 방식 또는 공진(resonance) 방식을 이용하여 전력을 송신할 수 있다. 전원(100)과 무선 전력 송신 장치(200)가 별개의 구성인 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전원(100)은 무선 전력 송신 장치(200)에 포함될 수도 있다.
무선 전력 수신 장치(300)는 무선 전력 송신 장치(200)로부터 무선으로 전력을 수신한다. 무선 전력 수신 장치(300)도 전자기 유도(electromagnetic induction) 방식 또는 공진(resonance) 방식을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(300)는 수신한 전력을 부하단(400)에게 공급한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 송수신 방법을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(200)는 송신 코일(210)을 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(300)는 수신 코일(310) 및 정류부(320)를 포함할 수 있다.
전원(100)은 소정 주파수를 갖는 교류 전력을 생성하여 무선 전력 송신 장치(200)의 송신 코일(210)에게 공급할 수 있다.
그리고, 송신 코일(210)에 의하여 발생한 교류 전류는 송신 코일(210)과 유도 결합된 수신 코일(310)로 전달될 수 있다. 또는, 송신 코일(210)로 전달된 전력은 주파수 공진 방식에 의해 무선 전력 송신 장치(200)와 동일한 공진 주파수를 갖는 무선 전력 수신 장치(300)로 전달될 수도 있다. 임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 간에는 공진에 의하여 전력이 전송될 수 있다.
전자기 유도(electromagnetic induction) 방식 또는 공진(resonance) 방식을 이용하여 수신 코일(310)로 전달된 전력은 정류부(320)를 통해 정류되어 부하단(400)으로 전달될 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 송신 코일의 등가 회로도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 송신 코일(210)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)를 포함하며, 인덕터(L1)의 양단은 캐패시터(C1)의 양단과 연결될 수 있다.
여기서, 캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스가 조절됨에 따라 임피던스 매칭이 수행될 수 있다. 수신 코일(310)의 등가 회로도도 송신 코일(210)의 등가 회로도와 유사할 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전원과 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 송신 코일(210)은 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 등가 회로도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 수신 코일(310)은 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)를 포함할 수 있다.
정류부(320)는 수신 코일(310)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하며, 변환된 직류 전력을 부하단(400)에 전달할 수 있다.
구체적으로, 정류부(320)는 도시되지 않았지만 정류기와 평활 회로를 포함할 수 있다. 정류기는, 예를 들면 실리콘 정류기일 수 있고, 다이오드(D1)로 등가화 될 수 있지만, 이로 한정되는 것은 아니다. 정류기는 수신 코일(310)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있다. 평활 회로는 정류기에서 변환된 직류 전력에 포함된 교류 성분을 제거하여 매끄러운 직류 전력을 출력할 수 있다. 평활 회로는, 예를 들면 캐패시터(C3)로 등가화될 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.
부하단(400)은 배터리 또는 배터리가 내장된 장치일 수 있다.
한편, 무선 전력 전송에서 품질 지수(Quality Factor)는 중요한 의미를 가진다. 품질 지수(Quality Factor, Q)는 무선 전력 송신 장치(200) 또는 무선 전력 수신 장치(300) 부근에 축적할 수 있는 에너지의 지표를 의미한다. 품질 지수는 동작 주파수(w), 코일의 형상, 치수, 소재 등에 따라 달라질 수 있으며, 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Q=w*Ls/Rs
여기서, Ls은 코일의 인덕턴스이고, Rs은 코일자체에서 발생하는 전력손실량에 해당하는 저항을 의미한다.
품질 지수는 0에서 무한대의 값을 가질 수 있으며, 품질 지수가 클수록 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신 장치(300)간의 전력 전송 효율이 높은 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 접착층에 자성체를 포함시켜, 코일의 인덕턴스를 높이고자 한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 포함되는 연자성층 및 송신 코일의 상면도이다.
도 6을 참조하면, 연자성층(600) 상에 송신 코일(610)이 형성된다. 송신 코일(610)은 평면 상에 스파이럴(spiral) 또는 헬리컬(helical) 형상으로 권선(wire wound)된 형태일 수 있다. 송신 코일(610)은 라운드(round) 형상, 레이스트랙(racetrack) 형상, 직사각형(rectangular) 형상, 삼각형 형상(triangular), 모서리가 둥근 다각형 형상 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 포함되는 연자성층 및 송신 코일의 상면도이다.
도 7을 참조하면, 연자성층(700) 상에 송신 코일(710, 720, 730)이 형성된다. 각 송신 코일(710, 720, 730)은 평면 상에 스파이럴(spiral) 또는 헬리컬(helical) 형상으로 권선(wire wound)된 형태일 수 있다. 각 송신 코일(710, 720, 730)은 라운드(round) 형상, 레이스트랙(racetrack) 형상, 직사각형(rectangular) 형상, 삼각형 형상(triangular), 모서리가 둥근 다각형 형상 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 송신 코일(710)과 송신 코일(720)은 나란히 배치되며, 송신 코일(730)은 송신 코일(710) 및 송신 코일(720) 상에 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 포함되는 접착층의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(800)는 기판(810), 기판(810) 상에 형성되는 제1 접착층(820), 제1 접착층(820) 상에 형성되는 연자성층(830), 연자성층(830) 상에 형성되는 제2 접착층(840), 제2 접착층(840) 상에 형성되는 송신 코일(850)을 포함한다.
기판(810)은 플라스틱 소재의 기판 또는 금속 소재의 기판일 수 있다. 기판(810)은 PCB(Printed Circuit Board)일 수도 있다. 기판(810)은 무선 전력 송신 장치(800)의 케이스일 수도 있다. 이에 따라, 기판(810)은 기구물과 혼용될 수 있다.
연자성층(830)은 소결체(pellet), 플레이트(plate), 시트(sheet), 리본(ribbon), 호일(foil), 필름(film), 복합체(composite) 등의 다양한 형태로 구현될 수 있다. 다만, 무선 전력 송신 장치(800)가 차량에 적용되는 경우, 차량의 진동 또는 온도 특성으로 인하여 소결체가 사용되기는 어려운 문제가 있다. 이에 따라, 연자성층(830)은단일 금속 또는 합금 분말 플레이크 및 고분자 수지를 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수 있다. 여기서, 합금 분말 플레이크는 Fe, Co 및 Ni의 합금 분말 클레이크 및 Fe, Si 및 Cr의 합금 분말 플레이크 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 고분자 수지는 PV(polyvinyl)계 수지, PE(polyethylene)계 수지 및 PP(polypropylene)계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 연자성층(830)은 합금 분말 플레이크를 90wt% 이상 포함하고, 고분자 수지를 10wt% 이하로 포함할 수 있다.
연자성층(830) 상에는 송신 코일(850)이 형성된다. 코일(850)은 연자성층(830) 상에서 연자성층(830)의 평면과 평행한 방향으로 감겨질 수 있다. 도시되지 않았으나, 송신 코일(850) 상에는 지지 필름이 더 형성될 수 있다. 지지 필름은 송신 코일(850)을 지지하기 위한 것으로, PET(polyethylene terephthalate) 소재를 포함할 수 있다.
한편, 제1 접착층(820)은 기판(810)과 연자성층(830) 사이에 형성되며, 기판(810)과 연자성층(830)을 접착시킨다. 그리고, 제2 접착층(840)은 연자성층(830)과 송신 코일(850) 사이에 형성되며, 연자성층(830)과 송신 코일(850)을 접착시킨다. 이때, 제1 접착층(820) 및 제2 접착층(840) 중 적어도 하나는 자성체를 포함한다. 제1 접착층(820) 및 제2 접착층(840) 중 적어도 하나가 자성체를 포함하면, 무선 전력 송신 장치(800)의 실효 투자율을 높이고, 인덕턴스를 증가시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1 접착층(820) 및 제2 접착층(840) 중 적어도 하나는 자성층(900) 및 자성층의 양 면에 형성되는 접착제(910)를 포함한다.
자성층(900)은 고투자율의 자성체를 포함하는 자성 시트, 자성 필름, 자성 호일 등일 수 있다. 여기서, 고투자율의 자성체는, 예를 들면 센더스트(sendust), 퍼멀로이(permalloy), MPP(Molybdenum Permally Powder) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 센더스트는 Fe-Si-Al의 3원계 합금을 의미한다. 퍼멀로이는 Ni-Fe의 2원계 합금을 의미한다. 이에 따라, 자성층(900)의 초투자율은 500μ' 이상일 수 있으며, 연자성층(830)과의 초투자율 차가 100 내지 300kHz에서 100μ' 이상일 수 있다. 여기서, 자성층(900)은 기판(810)과 연자성층(830) 또는 연자성층(830)과 코일(850)을 접착하는 일반적인 양면 테이프의 유전체 필름 기재를 대체할 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 송신 장치 또는 무선 전력 수신 장치의 전체적인 두께를 증가시키지 않으면서도, 실효 투자율을 증 가시켜 인덕턴스를 높일 수 있다.
이때, 자성층(900)과 접착제(910) 사이에는 금속 리본(ribbon)이 더 형성될 수도 있다. 여기서, 금속 리본은 금속을 단일 원자 단위로 매우 얇게 펴서 만든 박막을 의미할 수 있다. 금속 리본은 투자율이 매우 높으므로, 무선 전력 송신 장치의 전체적인 두께를 거의 증가시키지 않으면서도, 실효 투자율을 더욱 증가시켜 인덕턴스를 높일 수 있다.
한편, 자성층(900)의 투자율이 연자성층(830)의 투자율보다 높은 경우, 제1 접착층(820) 또는 제2 접착층(840)과 연자성층(830) 간의 통전으로 인하여 전자기 성분이 상쇄될 수 있다. 이에 따라, 접착제(910)는 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 접착제(910)는 아크릴레이트(acrylate)계 유기 접착제, 에폭시(epoxy)계 유기 접착제, 실리콘(silicon)계 유기 접착제 등을 포함할 수 있다.
또는, 제1 접착층(820) 또는 제2 접착층(840)의 표면은 SiO2등으로 성막처리될 수도 있다. 이에 따라, 제1 접착층(820) 또는 제2 접착층(840)과 연자성층(830)은 절연될 수 있다.
이하, 본 발명의 한 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 인덕턴스에 대한 실험 결과를 설명한다.
도 10은 접착층이 자성체를 포함하지 않는 경우 투자율 증가에 따른 인덕턴스 증가율을 설명하는 그래프이고, 도 11은 접착층이 자성체를 포함하지 않는 경우 두께 증가에 따른 인덕턴스 증가율을 설명하는 그래프이다.
도 10 내지 11을 참조하면, 투자율(μ', permeability) 또는 두께의 증가에 따라 일정 수준까지는 인덕턴스가 증가하지만, 일정 수준에 도달한 후에는 더 이상 증가하지 않고 포화된다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따라 접착층이 자성체를 포함하는 경우 두께 증가에 따른 인덕턴스 증가율을 설명하는 그래프이다.
여기서, 기판, 연자성층 및 코일이 순차로 적층되어 있고, 기판과 연자성층 사이 및 연자성층과 코일 사이에는 접착층이 형성되어 있다. 투자율(μ)이 26이고 두께가 2.0mm인 연자성층이 사용되었으며, 연자성층과 코일 사이의 접착층은 0.1mm로 고정시켰다.
접착층이 자성체를 포함하지 않는 경우(normal), 즉 유전체 필름으로 된 기재의 양면에 접착제가 형성된 일반적인 양면 테이프를 사용한 경우의 인덕턴스를 측정한 후, 투자율(μ)이 500인 자성체를 포함하고 자성층 및 접착제의 두께 비가 7대 3인 접착층의 두께를 0.1mm 내지 0.4mm까지 증가시켜가며 인덕턴스를 측정하였다.
도 12에서 나타난 바와 같이, 접착층이 자성체를 포함하는 경우(약 11.4), 자성체를 포함하지 않는 경우(약 11.2)에 비하여 인덕턴스가 높음을 알 수 있다. 또한, 자성체를 포함하는 접착층이 두꺼워지더라도 인덕턴스가 포화되지 않고, 계속하여 증가함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따르면 높은 인덕턴스를 가지는 무선 전력 송신 장치를 얻을 수 있다. 또한, 접착층의 두께를 조절하여 원하는 수준의 인덕턴스를 얻을 수도 있다.
이상에서 설명의 편의를 위하여 무선 전력 송신 장치를 예로 들어 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 무선 전력 수신 장치의 기판, 연자성층 및 코일 사이에 형성되는 접착층에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치가 WPC 기능과 NFC 기능을 동시에 가지는 경우, 연자성층 상에는 NFC 코일이 더 적층될 수 있다. NFC 코일은 수신 코일의 바깥을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
10: 무선 충전 시스템
100: 전원
200: 무선 전력 송신 장치
300: 무선 전력 수신 장치
810: 기판
820, 840: 접착층
830: 연자성층
850: 코일

Claims (18)

  1. 무선 충전 시스템의 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    기판,
    상기 기판 상에 형성되는 제1 접착층,
    상기 제1 접착층 상에 형성되는 연자성층,
    상기 연자성층 상에 형성되는 제2 접착층,
    상기 제2 접착층 상에 형성되는 송신 코일을 포함하고,
    상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나는 자성체를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나는
    자성체를 포함하는 자성층, 그리고
    상기 자성층의 양 면에 형성되는 접착제
    를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자성층은 센더스트(sendust), 퍼멀로이(permalloy) 및 MPP(Molybdenum Permally Powder) 중 적어도 하나를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 자성층과 상기 접착제 사이에 금속 리본이 더 형성되는 무선 전력 송신 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 접착제는 절연 물질을 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 접착제는 아크릴레이트(acrylate)계 유기 접착제, 에폭시(epoxy)계 유기 접착제 및 실리콘(silicon)계 유기 접착제 중 적어도 하나를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나의 표면은 절연 물질로 성막 처리되는 무선 전력 송신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연 물질은 SiO2를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 송신 코일 상에 형성되는 지지 필름을 더 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연자성층은 단일 금속 분말 플레이크 또는 합금 분말 플레이크 중 어느 하나와 고분자 수지를 포함하는 복합체(composite)를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 합금 분말 플레이크는 Fe, Co 및 Ni의 합금 분말 플레이크 또는 Fe, Si 및 Cr의 합금 분말 플레이크인 무선 전력 송신 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 PV(polyvinyl)계 수지, PE(polyethylene)계 수지 및 PP(polypropylene)계 수지 중 적어도 하나를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  13. 무선 충전 시스템의 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    기판,
    상기 기판 상에 형성되는 제1 접착층,
    상기 제1 접착층 상에 형성되는 연자성층,
    상기 연자성층 상에 형성되는 제2 접착층,
    상기 제2 접착층 상에 형성되는 수신 코일을 포함하고,
    상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 중 적어도 하나는 자성체를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  14. 무선 전력 송신 장치 또는 무선 전력 수신 장치의 접착층에 있어서,
    자성체를 포함하는 자성층, 그리고
    상기 자성층의 양 면에 형성되는 접착제
    를 포함하는 접착층.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 자성층은 센더스트(sendust), 퍼멀로이(permalloy) 및 MPP(Molybdenum Permally Powder) 중 적어도 하나를 포함하는 접착층.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 자성층과 상기 접착제 사이에는 금속 리본이 더 형성되는 접착층.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 접착제는 절연 물질을 포함하는 접착층.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 접착층의 표면은 절연 물질로 성막되는 접착층.
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